Mekaniska vågor. Diagnostiskt ultraljud fysik, teknik och klinik. Grundläggande akustiska principer

Transkript

1 Mekaniska vågor Diagnostiskt ultraljud fysik, teknik och klinik Zoran Mijovic BFC, Skånes Universitets Sjukhus, Lund Ultraljudsdiagnostik bygger på utbredning av icke joniserande mekaniska ljudvågor genom kroppen till skillnad från övriga medicinska avbildande metoder (röntgen, datortomografi, magnetkameror och gammakameror) som utnyttjar elektromagnetiska vågor. Mekaniska vågor Elektromagnetiska vågen kan ta sig fram nästan överallt, till och med passera rätt igenom vakuum, medan ultraljudsvågen kräver ett fysikaliskt medium. Ultraljudstekniken är känslig och detekterar små förändringar i mjukvävnad. Interreaktioner mellan ultraljudvågor och medium sätter samtidigt en gräns för metodens upplösningsförmåga Uppkomst av olika former av artefakter i ultraljudsbilden. Grundläggande akustiska principer Den mänskliga hörseln kan uppfatta vibrationer med en frekvens upp till svängningar per sekund eller 20 khz. Ljud med högre frekvens kallas ultraljud. Ljudintervall Diagnostiskt ultraljud Diagnostiska ultraljudsapparater arbetar med ultraljudsfrekvenser inom området > 2 MHz. När ljudvågen breder ut sig genom ett medium vibrerar»partiklarna» i mediet. För diagnostiskt ultraljud används huvudsakligen s k longitudinella ultraljudsvågor, där partiklarna svänger fram och tillbaka i utbredningsriktningen, varvid mediet växelvis komprimeras och töjs.

2 Diagnostiskt ultraljud Ultraljudsegenskaper I de blåa områdena sker en ansamling av partiklar, en kompression, och därmed ett lokalt ökat tryck i dessa områden. I de ljusa områdena sker en töjning av mediet och en lokal trycksänkning. Avståndet mellan två tryckmaxima är ljudets våglängd Våglängden λ (m) är det minsta avståndet i utbredningsriktningen mellan identiskt svängande partiklar Frekvensen f0 (Hz) är antalet vågor som passerar en given punkt per sekund Ljudhastigheten c (m s) är den hastighet med vilken vågfronten utbreder sig. Det finns ett enkelt samband mellan dessa: c = λ f0 λ = c/f0 Ljudhastighet Från akustisk synpunkt kan kroppens mjukvävnader betraktas som en vätska. De flesta mjukvävnader uppvisar endast smärre skillnader i ljudhastighet, och därför används ofta ett medelvärde på m/s som enhetsvärde på ljudhastigheten i mjukvävnad. Utbredningsmediets akustiska egenskaper En ultraljudvåg som transmitteras genom biologisk vävnad undergår kontinuella modifikationer. En av dem viktigaste är attenuering (dämpning) som leder till en tilltagande intensitetminskning. Dämpning (attenuering) Det finns flera fysikaliska orsaker till att intensiteten i en ultraljudvåg avtar med ökat inträngningsdjup i biologisk vävnad: absorption, reflektion och spridning. En ultraljudvåg som transmitteras genom biologisk vävnad minskar i intensitet eftersom en del av energin absorberas och omvandlas till värme orsak till att höga ljudintensiteter ger upphov till temperaturökning. Reflektion När en ultraljudsvåg påträffar en plötslig ändring i utbredningsmediets akustiska egenskaper, vid gränsytor mellan olika vävnadstyper, sker en reflektion av den infallande ljudvågen. Huvuddelen av vågen fortsätter över gränsytan och kan ge upphov till ultraljudsekon från djupare liggandestrukturer.

3 Reflektion Reflektion Olika vävnadstyper har olika akustisk impedans eller karakteristisk impedans. Den akustiska impedansen beskriver hur svårt det är för partiklarna att röra sig Z = ρ x c Intensiteten på det reflekterade ekot vid en passage över en gränsyta mellan två olika medier bestäms av ekvationen: Ir = (Z2 Z1/Z2+Z1)² Ljudhastighet och karakteristisk impedans Material Ljudhastighet m/s Karakteristisk impedans (kg/m²s)10-6 Icke biologiskt Luft 0 0 C 331 0,0004 Vatten 25 0 C ,48 Plexiglas ,20 Aluminium ,0 Mässing ,0 Biologiskt Fett ,38 Hjärna ,58 Blod ,61 Njure ,62 Lever ,65 Muskler ,70 Skallben ,80 Reflektion Vid en gränsyta mellan fett och njure reflekteras t ex endast 0,64 %av ljusstrålen men det är tillräckligt mycket för att kunna uppfattas som ett eko av ultraljudsgivaren. På motsvarande sätt kan reflektionen mellan muskel och luft beräknas till 99,9 %. Resultatet blir i detta fall ett mycket kraftigt eko, så kraftigt att nästan ingen energi från ultraljudsvågen kan fortsätta förbi gränsytan och ge upphov till nya ekon från djupare liggande strukturer. Man talar i sådana fall om att det uppstår en ekoskugga. Ekoskugga Ultraljudsproduktion Piezoelektriska effekten I ett och samma material får vi en sändare och mottagare av akustiska signaler Vid sändning genereras små vibrationer som resultat av en pålagd växelspänning. De små vibrationerna fortplantas in i vävnaden och reflekteras. När ekona återvänder till kristallen orsakar ljudvågen små mekaniska vibrationer, som i sin tur ger upphov till en potential över kristallytan.

4 Ultraljudsproduktion Ultraljudsapparater Piezoelektriska effekten upptäcktes 1880 av bröderna Pierre och Jacques Curie. Piezoelektricitet finns naturligt i t ex kvartskristall. Konstgjorda keramiska material av typen blyzirkonat titanat uppvisar mycket större omvandlingseffektivitet. Piezokeramiska kompositer består av tärnade piezokeramiska material (PZT) som är inbäddade i en polymer för att uppnå bättre akustiska egenskaper. Ultraljudsapparaten Den reflekterade ekopulsen som återvänder till ultraljudsgivaren efter en gångtid är direkt proportionell till avståndet mellan givaren och den reflekterande gränsytan dividerad med hastigheten (1540 m/s). Genom att mäta ankomsttiderna för olika återvändande ultraljudsekon kan avståndet mellan givarens yta och respektive gränsyta beräknas. Återvändande ultraljudsekon omvandlas till elektriska signaler som kan förstärkas och presenteras på en bildskärm. Digitalisering och memorering av ekoinformation 1. Digitalisering: elektriska signaler transformeras till en serie av intensitet/bild koordinater 2. Digital till analog omvandlare Ekogivare Ekogivare Feldman M K et al. Radiographics 2009;29:

5 Take Home Knowledge Högfrekvent ekogivare Bra upplösning Sämre penetration Lågfrekvent ekogivare Sämre upplösning Bra penetration Ekogivare Modaliteter B mode Brightness mode, grunden för alla tvådimensionella ultraljudsbilder. Real timeuppdatering av bilder är hastig och kontinuerlig Doppler Använder Dopplereffekten för att påvisa blodkroppar i rörelse och mäta flödeshastigheter. Kontinuerlig ultraljudsdoppler för mätning av höga flödeshastigheter. Pulsad Doppler mäter på ett specifikt djup. Duplex Flödeshastighetsmätningen kombineras med en tvådimensionell bild (B mode och pulsad Doppler). En mätpunkt kan placeras på valfri plats i bilden. Modaliteter FärgDoppler Färgkodade Dopplersignaler Färgduplex Triplex.Duplexteknik med färgkodning av Dopplersignaler Power Doppler (CDE) Dopplersignaler ger ett mått på den reflekterade signalens energi (mängden reflekterande blodkroppar) istället för signalens frekvens som vid konventionell Doppler. Visar förekomsten av blodflöde, däremot inte flödeshastighet. Kontrastmedel Ett sätt att öka den reflekterade signalstyrkan är att injicera någon form av kontrastmedel i blodbanan som ökar den akustiska reflektionen. Koksaltinjektioner Lösning som innehåller mikroskopiska gasbubblor. För att inte gasen omedelbart skall tas upp av blodet måste gasbubblorna vara stabiliserade. Storleken på mikrobubblorna är mellan 2 10 μm så att de passerar lungkretsloppet. Kontrastmedel med gasbubblor Gasbubbla När ultraljudsvågen träffar gasbubblor sker inte bara en enkel reflektion utan även ett resonansfenomen, vilket innebär att bubblan ändrar sin diameter med samma frekvens som den infallande ultraljudssignalen. Den svängande gasbubblan kan därvid uppvisa ett olinjärt beteende som genererar övertoner med dubbla frekvensen (second harmonic) i den reflekterade ultraljudsvågen.

6 Pulse Inversion Imaging Principen: Två pulsar skickas ut i kroppen varav den andra pulsen är en spegelbild av den första (180 º fasändring). Summan av två linjära inverterade pulsar som kommer från vävnaden är noll. Signaler detekterade från bubblor är nonlinjära harmoniska toner innehållande även second harmonic. Därmed detekteras signaler endast från bubblor men inte från vävnaden. Högre sensitivitet Lågt MI (infallande energi) Icke destruktiv avbildning av gasbubblor 3D och 4D ultraljud De 3D bilder används för att visa tredimensionella externa bilder som kan vara till hjälp vid vissa diagnoser (kluven läpp). Vid 4D ultraljud uppdateras bilderna kontinuerligt och skapas en rörlig sekvens, som en film. Förekomst av benvävnad eller luft där ultraljudsvågor passerar erhålles kraftiga ekon i bilden!! Skugga Skugga Gallsten Njursten S

7 Skugga Förstärkning NJURSTENAR Normal gallblåsa Normal gallblåsa Normal urinblåsa Förstärkning Kantskugga NJURCYSTOR GALLBLÅSA LEVERCYSTA LEVERCYSTOR Normal lever

8 Normal lever Cystisk vs solid förändring Fat sparing Fokal steatos Vanliga lokaler: I anslutning till gallblåsebädden I anslutning till stora leverkärlen Subkapsulärt Vanliga lokaler: Segment 3 i anslutning till lig teres hepatis I anslutning till stora leverkärlen Hemangion, vanlig presentation Hemangiom

9 Metastaser vanliga ultraljuds mönster Metastaser Levermetastaser Leverabscess Normal gallblåsa Gallsten S

10 Multipla gallstenar Cholecystit /akut Cholecystit /kronisk Adenomyomatos Cholecystit /kroniskt adenomyomatos Aschoff Rokitansky fickor Polyp i gallblåsa

11 Normal pancreas Normal pancreas Pancreas/Ultraljuds anatomi Pancreas/Ultraljuds anatomi H IVC PV K S MSA AO PV SV PANCREASKROPPEN Akut pancreatit Akut pancreartit, komplikationer Diffus pancreatit Fokal pancreatit Pancreas pseudocysta Fokal pancreatit oftast i pancreashuvudet; svårt att skilja från pancreascancer särskilt vid akut pancreatit som uppstår på basen av kronisk pancreatit och utan kliniska bevis

12 Kronisk pancreatit Kronisk pancreatit Pancreascancer Cystisk adenocarcinom i pancreas Double duct sign Normal mjälte

13 Bimjälte Splenomegali 13 cm i längd hos vuxna 1,25 gånger längre än vänster njure hos barn Orsaker: Kongestiv splenomegali: portal hypertension, occluision av mjältvenen, sickle cell sjukdom Lesioner med massefect : tumör, abscess, cysta Inlagringstillstånd: amyloidos, hemochromatos Infektion: malaria, TB, svamp, bakterier Kongenital cysta / abscess Cystiska lesioner Bakteriell abscess Mjältlymfom kan likna mjältcystor Lymfom Vi bör titta på gränsytan mellan förändringen och omgivande vävnad!!! Dåligt avgränsad lymfom Välavgränsad cysta Semin Ultrasound CT MRI 27: H. Ishida et al. Splenic lymphoma: differentiation from splenic cyst with Ultrasonography. Abdom Imaging 26: (2001) Metastaser Förkalkningar MELANOM BRONCHUS CARCINOM TARGET lesion Tankeväckande Granulom (solitära eller multipla): TB, histoplasmos, sarkoidos Hamartom Väggförkalkningar i cysta/abscess/gammalt hematom Kärlförkalkningar (linjära)

14 Trauma Njurar/Normal ultraljuds anatomi Hypertrofisk columna Bertini Mellan proximala och mellersta tredje delen Oftast i vänster njure Sällan bilaterlat Isoekogen och i kontinuitet med corticalis Protruderar in i njursinus Innehåller pyramider Inget patologiskt blodflöde; a arcuata kan detekteras Hypertrofisk columna Bertini DDx Ärrbildning: reducerad corticalis på platsen för ärret med kompensatorisk hypertrofi av frisk vävnad Dubbelt samlingsystem: två njursinus separerade av parenkymbrygga Puckel: buktande kortikalis/pseudotumör Njurtumör

15 Cortical junktional defekt Cortical junktional defekt DDx Angiomyolipom Ärrbildning Fetal lobering Angiomyolipom a Fetal lobering Ärrbildning Njurcystor Polycystisk sjdm Hydronefros, Ja eller Nej? Hydronefros, Ja eller Nej? Calyces som breder sig ut och prominent njurbäcken även vid fylld urinblåsa

16 Hydronefros, måttlig grad Hydronefros, måttlig grad Hydronefros / Hydrouretär Hydronefros, kraftig grad Njursten Njursten Twinkling artifact

17 AV shunt i njure Njurtumör Njurcancer med levermetastas